張 璐， 吳玉琴

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201）

0 引言

如何解決水資源不足和糧食生產(chǎn)的矛盾，成為世界范圍關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。讓每一滴水生產(chǎn)出更多的糧食，通過(guò)提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率解決全球缺水問(wèn)題是各國(guó)科學(xué)家形成的共識(shí)[2]。李朝陽(yáng)等[3]在干旱少雨蒸發(fā)強(qiáng)烈的新疆地區(qū)采用滴灌技術(shù)在成齡棗樹(shù)的產(chǎn)量和節(jié)水方面成效顯著。王睿垠等[4]發(fā)現(xiàn)往東北黑土里添加生物炭能提升土壤的持水能力。魏童等[5]對(duì)西北干旱地區(qū)壓砂耕作方式進(jìn)行了水分垂直入滲的規(guī)律研究，發(fā)現(xiàn)壓砂耕作方式提高了土壤的入滲能力，對(duì)提高作物的產(chǎn)量有一定的益處。在平原地帶多采用地膜方式耕作，對(duì)作物的產(chǎn)量、生長(zhǎng)條件及經(jīng)濟(jì)效益都有益處[6]。也有采用秸稈覆蓋的方式耕作，實(shí)現(xiàn)了培肥土壤、防止水土流失[7]。不管是壓砂、地膜覆蓋還是秸稈覆蓋都存在一定的缺點(diǎn)：地膜覆蓋成本較高、薄膜難降解對(duì)環(huán)境造成影響；近幾年生物可降解膜逐漸代替了普通地膜，減少了對(duì)環(huán)境的影響，隨之而來(lái)的是可降解膜的保墑增溫性能比普通地膜差，而且可降解地膜的強(qiáng)度及延展性較差；壓砂和秸稈覆蓋材料不易取得且受季節(jié)和地域的限制[8-9]。因此具有能減小成本支出、減輕環(huán)境污染、材料易取得的保水措施值得關(guān)注。

關(guān)于斥水性土壤蒸發(fā)的研究相對(duì)較少，但研究結(jié)果較一致，即土壤斥水性對(duì)土壤蒸發(fā)具有不同程度的抑制效應(yīng)。BACHMANN J 等[10]對(duì)不同斥水性強(qiáng)度的砂土分別進(jìn)行了等溫及非等溫條件下的土柱蒸發(fā)試驗(yàn)，結(jié)果表明，兩種條件下的土壤累積蒸發(fā)量均隨土壤斥水性強(qiáng)度的增加而降低。李毅等[11]進(jìn)行了覆膜開(kāi)孔條件下斥水性層狀土壤蒸發(fā)試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著土壤斥水性強(qiáng)度增加，累積蒸發(fā)量有所減小。GUPTA B 等[12]利用土壤斥水性抑制蒸發(fā)的原理，在親水性土壤表層覆蓋斥水性土壤薄層， 達(dá)到降低水分散失的目的。其對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，表層覆蓋2 cm 厚的斥水性土壤薄層，可讓下層親水性土壤保持90%的含水量達(dá)83 h。RYE C F 等[13]在田間試驗(yàn)土箱中進(jìn)行了原位測(cè)量，結(jié)果表明，4 d 內(nèi)斥水性土壤的累積蒸發(fā)量比親水性土壤低40%～80%。現(xiàn)階段，我國(guó)土壤斥水性的研究方向比較分散，系統(tǒng)性研究比較少，對(duì)斥水土的研究還停留在斥水土特性的理論試驗(yàn)上，利用斥水土抑制水分蒸發(fā)代替覆膜作為種植作物保水措施的研究少之又少。在國(guó)內(nèi)外斥水土抑制水分蒸發(fā)的研究基礎(chǔ)上，本文將斥水土應(yīng)用到作物種植，通過(guò)對(duì)比覆膜、不覆膜、鋪蓋斥水土3 種種植方式的差異，以電阻率為指標(biāo)，描述斥水土作為土壤隔層可為作物生長(zhǎng)提供合適的保水措施。

1 材料與方法

1.1 土樣制備

常見(jiàn)的土壤改性方式主要有物理改性、化學(xué)改性和生物改性[14-16]?；瘜W(xué)改性主要是采用表面活性劑對(duì)土顆粒表面進(jìn)行處理，增大土顆粒的接觸角，達(dá)到改變土顆粒與溶劑相互作用的目的[17]。常用的化學(xué)改性方法是用十八胺（C18H39N）或二氯二甲基硅烷（(CH3)2SiCl2）對(duì)土壤改性。由于二氯二甲基為劇毒物質(zhì)，味道刺鼻，長(zhǎng)期吸入會(huì)對(duì)身體健康造成損害，對(duì)呼吸道及皮膚有刺激作用等弊端，而十八胺對(duì)身體損害較小，考慮到所需斥水土量較大，為避免對(duì)實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)環(huán)境造成影響，本文采用十八胺進(jìn)行砂土的化學(xué)改性。

砂土取自云南省昆明市境內(nèi)的團(tuán)結(jié)鄉(xiāng)。土樣取土?xí)r避開(kāi)表層有雜質(zhì)的地方，取深度為0.5 m 的新鮮干凈土壤，將天然土樣風(fēng)干碾碎后，過(guò)2 mm 篩，放置在溫度為105 ℃的烘箱中烘12 h，備用。

制備步驟：取備用砂土，將研磨成粉末狀的十八胺（C18H39N）加入其中，然后充分?jǐn)嚢柚糜诤嫦渲?，將烘箱溫度調(diào)至 80 ℃持續(xù)烘烤8 h，烘烤期間每間隔 2 h取出并保證溫度70 ℃以上充分?jǐn)嚢柰翗? min，保證十八胺（C18H39N）處于液態(tài)，且在砂土中均勻分布。將烘好的土樣置于室內(nèi)冷卻供試驗(yàn)用。

吳珺華等[17]在對(duì)斥水土入滲研究中發(fā)現(xiàn)十八胺含量在0.06%時(shí)，斥水土穩(wěn)定入滲所需的時(shí)間較短。室外空氣溫濕度變化較大，為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，配制斥水土的十八胺含量為0.06%。GUPTA B 等[12]將斥水土的抑制水分蒸發(fā)的特性推廣到植物生長(zhǎng)方面，室內(nèi)恒溫條件下發(fā)現(xiàn)斥水土厚度在2 cm 時(shí)種子生長(zhǎng)良好。為確保電阻率試驗(yàn)和辣椒種植兩個(gè)試驗(yàn)里斥水土抑制水分蒸發(fā)的統(tǒng)一性，考慮到辣椒育苗已經(jīng)完成，故斥水土覆蓋厚度為5 cm。

1.2 土壤電阻率測(cè)量

土壤電阻率包含了反映土壤性質(zhì)的豐富信息[18]。本試驗(yàn)選在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)后山一塊待開(kāi)發(fā)的空地，兩塊區(qū)域如圖1 所示，長(zhǎng)、寬分別為4 m 和2 m，一塊用來(lái)鋪蓋斥水砂土厚度為5 cm（記為P1），斥水砂土的十八胺含量為0.06%。另外一塊清理雜草后并噴灑農(nóng)藥（記為P0）以保證土壤不會(huì)有植物生長(zhǎng)，以免影響土壤體積含水率的變化。測(cè)量時(shí)間與辣椒種植時(shí)間同步，2021 年5 月30 日開(kāi)始，2021 年9 月7 日結(jié)束。天氣較為干旱，后山最高空氣溫度達(dá)38 ℃，最低空氣濕度為26%，試驗(yàn)期間有密集降雨出現(xiàn)，單次平均降雨量約0.7 mm。測(cè)量土壤電阻率的方法選擇溫納法，也稱(chēng)四極法，儀器型號(hào)ES3002，其最大量程2 000 Ω·m；選擇采用82 mm×20 mm×0.3 mm 的鐵片作為輔助接地棒，用單股1.5 mm2的導(dǎo)線連結(jié)鐵片至地面，且輔助接地棒彼此間隔1.2 m。鋪蓋斥水土的區(qū)域（P1），以斥水砂土的表層為基準(zhǔn)點(diǎn)，輔助接地棒埋入深度分別為表層以下5、10、15、20、25 和30 cm 共6 個(gè)深度；在P0區(qū)域，以土壤表層為基準(zhǔn)點(diǎn)埋入深度分別為5、10、15、20、25 和30 cm 共6 個(gè)深度。兩塊區(qū)域表層基準(zhǔn)點(diǎn)不同，在對(duì)比分析兩塊區(qū)域電阻率的測(cè)量結(jié)果時(shí)，需要按相同深度進(jìn)行對(duì)比。在進(jìn)行電阻率測(cè)量的過(guò)程中，將降雨天氣和未降雨天氣的電阻率分開(kāi)記錄，P1 區(qū)域降雨前后分別記為P1-和P1+，P0 區(qū)域降雨前后分別記為P0-和P0+。

圖1 土壤電阻率測(cè)試場(chǎng)地Fig. 1 Soil resistivity test site

1.3 辣椒種植

辣椒苗種植區(qū)域與測(cè)量電阻率的區(qū)域相鄰，種植時(shí)間從2021 年5 月30 日開(kāi)始，2021 年9 月7 日結(jié)束，后山最高空氣溫度達(dá)38 ℃，最低空氣濕度為26%。種植前后（從2021 年5 月27 日到6 月3 日）未出現(xiàn)降雨天氣，天氣較干燥。選擇種植的辣椒苗是已經(jīng)完成育苗的壯苗，莖葉完整無(wú)病蟲(chóng)害，根系發(fā)達(dá)。

種植區(qū)域分為兩塊，每塊區(qū)域長(zhǎng)3.6 m，寬50 cm，分別做不覆膜（F0）、覆膜（F1）及鋪蓋斥水砂土（F2）處理，均不起壟。鋪蓋斥水砂土的區(qū)域，其四周采用磚塊圍起來(lái)；為防止降雨裹挾斥水土流走，在斥水砂土四周采用土工布做擋土材料。

每塊區(qū)域種植辣椒15～20 株，為保證辣椒的成活率，對(duì)所有試驗(yàn)區(qū)域先進(jìn)行松土、殺蟲(chóng)，利用300 倍高錳酸鉀液對(duì)土壤進(jìn)行消毒，施肥養(yǎng)地，使土壤具備種植的能力。辣椒種植完成后，采用遮陽(yáng)網(wǎng)適當(dāng)遮光，在辣椒種植成活后撤掉。

在辣椒覆膜前和鋪蓋斥水土前對(duì)各區(qū)域進(jìn)行首次澆水，之后按各區(qū)域生長(zhǎng)狀況分別澆水，記錄各區(qū)域澆水量。由于斥水土?xí)p少水分的入滲量，在對(duì)斥水土區(qū)域的辣椒澆水時(shí)，在土工布區(qū)域四周澆水，其余兩塊區(qū)域在辣椒根部澆水。為辣椒澆水時(shí)，采用的是5 L的水桶，用常見(jiàn)的水瓢舀水進(jìn)行澆水。每次澆水前稱(chēng)水量為8 kg，以澆完水后辣椒苗不蔫兒視為水量合適，對(duì)辣椒不產(chǎn)生負(fù)面影響。

測(cè)量辣椒株高、莖粗及同期收獲的總質(zhì)量。株高使用卷尺進(jìn)行測(cè)量，精確度為0.1 cm。采用游標(biāo)卡尺通過(guò)十字交叉法測(cè)量莖粗，測(cè)量部位為主莖根部，精確度為0.1 mm。辣椒采摘質(zhì)量采用刻度為0.1 g 的天平稱(chēng)質(zhì)量。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤電阻率

電阻率隨土壤深度的變化并不是線性關(guān)系（圖2）。

圖2 電阻率隨土壤深度的變化Fig. 2 Resistivity changes with soil depth

P0 區(qū)域在降雨前各深度的電阻率值呈現(xiàn)起伏上升趨勢(shì)，在20 cm 深度電阻率最低，在30 cm 深度電阻率最大，其變化分3 個(gè)階段。5～10 cm 深度電阻率值增加0.53 Ω·m，10～20 cm 深度電阻率值減小3.96 Ω·m，20～30 cm 深度電阻率值增加6.77 Ω·m。降雨后各深度的電阻率值變化同樣有3 個(gè)階段，5～10 cm 深度電阻率值增加1.14 Ω·m，10～20 cm 深度電阻率值減小2.62 Ω·m，20～30 cm 深度電阻率值增加6.06 Ω·m。P1 區(qū)域在降雨前后各深度的電阻率值變化有4 個(gè)階段。其中降雨前，5～10 cm 深度電阻率值降低2.69 Ω·m，10～15 cm 深度電阻率值增加2.24 Ω·m，15～25 cm 深度電阻率值降低3.77 Ω·m，25～30 cm 深度電阻率值增加1.43 Ω·m。在降雨后，5～10 cm 深度電阻率值降低0.24 Ω·m，10～15 cm 深度電阻率值增加2.15 Ω·m，15～25 cm 深度電阻率值降低3.59 Ω·m，25～30 cm 深度增加0.86 Ω·m。

兩塊區(qū)域降雨前后各層電阻率差值如表1 所示。在兩塊區(qū)域中，P0 區(qū)域因降雨引起的電阻率變化值明顯大于P1 區(qū)域的變化值。

表1 兩塊區(qū)域降雨前后電阻率差值Tab. 1 Difference in resistivity between two regions before and after rainfall

兩塊區(qū)域表層基準(zhǔn)點(diǎn)位置不同，P1 區(qū)域在天然土壤表層增加了5 cm 厚的斥水土層，P0 區(qū)域的5 cm 處對(duì)應(yīng)著P1 區(qū)域的10 cm 處。不管是降雨前還是降雨后，兩塊區(qū)域電阻率值的增減變化方向是一致的。P0 區(qū)域各深度層之間的電阻率差值較大；而P1 區(qū)域天然土與斥水土接觸層的電阻率變化較大，天然土壤表層以下各深度降雨后電阻率降幅較小。

2.2 辣椒種植試驗(yàn)

辣椒首次澆水后，3 塊區(qū)域的辣椒苗不存在蔫兒的情況；而覆膜和不覆膜兩個(gè)區(qū)域在種植后的第2 天澆水前出現(xiàn)蔫兒的情況，澆水后恢復(fù)正常狀態(tài)。辣椒種植后的兩周內(nèi)各區(qū)域累積澆水量如圖3 所示，鋪蓋斥水土的區(qū)域（F2 區(qū)域）累積澆水量呈階梯狀上升，即澆水次數(shù)少累積澆水量最低，僅是未覆膜區(qū)域（F0 區(qū)域）累積澆水量的38.33%，而覆膜區(qū)域（F1 區(qū)域）的累積澆水量達(dá)到了未覆膜區(qū)域累計(jì)澆水量的61.67%。

圖3 各區(qū)域累積澆水量Fig. 3 Cumulative amount of watering in each area

辣椒長(zhǎng)成后，每次采摘時(shí)，測(cè)量每株辣椒的株高、莖粗，以均值作為該次采摘的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，具體情況如圖4 所示。在采摘過(guò)程中F1 區(qū)域的辣椒保持良好的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，其株高、莖粗、采摘量比其他區(qū)域突出。

圖4 辣椒株高、莖粗及采摘質(zhì)量對(duì)比Fig. 4 Comparison of plant height, stem diameter and picking quality of pepper

在株高方面，F(xiàn)0 區(qū)域和F1 區(qū)域的辣椒株高在前兩次采摘中相差約7 cm，后兩次采摘相差約10 cm；F2 區(qū)域在第1 次采摘時(shí)與F0 區(qū)域株高相差較小約3 cm，在后幾次采摘時(shí)株高差距逐漸加大，達(dá)到8 cm。

在莖粗方面，F(xiàn)0 區(qū)域和F2 區(qū)域在前兩次采摘時(shí)莖粗相差約1 mm，隨后莖粗差距逐漸增大，約1.5 mm。F1 區(qū)域與前兩者的差距較大，特別是后兩次采摘時(shí)，F(xiàn)1 區(qū)域與F2 區(qū)域莖粗相差約2 mm，與F0 區(qū)域差距更大。

在采摘辣椒產(chǎn)量方面，F(xiàn)0 區(qū)域的辣椒產(chǎn)量均在300 g以下，其余兩塊區(qū)域的辣椒產(chǎn)量均在300 g 以上；F1和F2 區(qū)域在第1 次采摘時(shí)產(chǎn)量差距較大，約100 g，隨后的幾次采摘中兩塊區(qū)域的辣椒產(chǎn)量差距逐漸減少至50 g 以?xún)?nèi)。

3 討論

3.1 土壤的電阻率

土壤電阻率最大的影響因素是含水率，其與電阻率的關(guān)系呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。在山東某地區(qū)，孫旭等[19]發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)鼐哂写硇缘姆弁痢⑸巴?、粘土的電阻率都隨著含水率增加而減小。查甫生等[20]在對(duì)合肥某地的膨脹土研究中也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的現(xiàn)象。在本文試驗(yàn)中，天然土壤表層覆蓋斥水土?xí)r，其電阻率比天然土壤區(qū)域的電阻率小，從側(cè)面說(shuō)明與前人關(guān)于斥水土可以抑制土壤水分蒸發(fā)的觀點(diǎn)相一致。降雨后，天然土壤區(qū)域的水分增加，而鋪蓋斥水土區(qū)域的電阻率變化則較小，在自然蒸發(fā)過(guò)程中，天然土壤的水分蒸發(fā)量大于鋪蓋斥水土區(qū)域的蒸發(fā)量。

土壤水分蒸發(fā)原理如圖5 所示。天然土壤（親水土）中的水分可以通過(guò)毛細(xì)管以液態(tài)水的方式向上運(yùn)動(dòng)達(dá)到土壤頂部。對(duì)于鋪蓋了斥水土的天然土壤，水分在到達(dá)了親水層頂部后，疏水通道消失，水分不再以液態(tài)水的方式蒸發(fā)，只能以水分子的形式蒸發(fā)。上述蒸發(fā)方式的不同是蒸發(fā)量差異的根本原因。電阻率的大小與輔助接地棒和土壤的接觸面積有關(guān)，當(dāng)天然土壤的水分因蒸發(fā)而減少，會(huì)造成內(nèi)部土壤因缺水產(chǎn)生裂縫，減少了與輔助接地棒的接觸面積，使土壤的電阻率增大。降雨后，少許的水分就可能引起電阻率的明顯變化，而鋪蓋斥水土的區(qū)域由于土壤蒸發(fā)的水分較少，與輔助接地棒的接觸面積減小的不多，降雨后土壤內(nèi)部水分變化較小，電阻率的變化也較平緩。

圖5 土壤水分蒸發(fā)原理Fig. 5 Principle of evaporation of soil water

3.2 辣椒種植

李世清等[21]研究發(fā)現(xiàn)，覆膜農(nóng)田0～100 cm 土壤水分高于不覆膜，而100～200 cm 土壤水分低于不覆膜，說(shuō)明覆膜具有提墑作用，同時(shí)也說(shuō)明了覆膜的深層耗水特性。覆膜能改變土壤中氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)含量及其在土層中的分布特征，主要原因是覆膜改變了土壤的水熱狀況、微生物數(shù)量和活性、土壤的理化性質(zhì)和植物生長(zhǎng)狀況，從而影響?zhàn)B分的循環(huán)[22-23]。在辣椒種植中，覆蓋斥水土區(qū)域的辣椒在株高、莖粗兩個(gè)方面與天然土壤區(qū)域的辣椒相差不大，這與前人對(duì)覆膜的觀點(diǎn)一致。當(dāng)前，對(duì)鋪蓋斥水土做保水措施的研究較少，大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為斥水土的導(dǎo)水率和入滲率較低，不利于作物的生長(zhǎng)[24]。斥水土的表層易積水，容易發(fā)生地表徑流，徑流增加將會(huì)加速土壤侵蝕的過(guò)程，引起土壤質(zhì)量退化[18]。水流在土壤中常常形成指狀優(yōu)先流，導(dǎo)致養(yǎng)分流失，加快了農(nóng)業(yè)化學(xué)物的淋洗，增加了地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)[25]。在該試驗(yàn)中，鋪蓋斥水土區(qū)域的辣椒產(chǎn)量和覆膜區(qū)域的辣椒產(chǎn)量差距較小，利用斥水土做保墑保水措施有待進(jìn)一步完善，為以后在農(nóng)業(yè)方面合理利用斥水土提供了思路。

4 結(jié)論

（1）可以使用多種（直接或者間接的）方法實(shí)現(xiàn)在斥水土區(qū)域觀測(cè)蒸發(fā)量的變化，如測(cè)量蒸發(fā)量、土壤含水率的變化等。當(dāng)區(qū)域面積過(guò)大，測(cè)量蒸發(fā)量不方便時(shí)，或者含水率測(cè)量準(zhǔn)確性較低時(shí)，利用土壤的電阻率變化表征斥水土抑制土壤水分蒸發(fā)是較好的選擇。

（2）在辣椒的生長(zhǎng)過(guò)程中，鋪蓋斥水土區(qū)域的辣椒產(chǎn)量與覆膜區(qū)域的產(chǎn)量相當(dāng)，比天然土壤種植的辣椒產(chǎn)量大很多，需水量比覆膜少，給干旱水資源缺乏地區(qū)種植農(nóng)作物提供了新思路。

（3）除了含水率外，影響土壤電阻率的因素還有土壤飽和度、孔隙率、土壤結(jié)構(gòu)及土壤溫濕度等，這些因素相互作用、相互影響。在今后的研究中，需要考慮斥水土對(duì)這些因素的影響，這些影響決定了斥水土能否替代覆膜、壓砂、秸稈覆蓋等常見(jiàn)農(nóng)作物保水措施。